Электрод магнитогидродинамического генератора

(5)5 Н 02ъ НИ ч соих температур ельство СССР44/О, 1978.65,4 ьзлек Изобретение отнгидродинамическо. тепловой энергиилее конкретно к кда магнитогидродигенератора.Бель изобретенсурса и снижениетерь энергии.На фиг.изобканала; на фиг. 2 ва фиг. да с 1; иа фиг.волокнами и осится к маги му преобразован в электрическу онструкции эле намического (И капиллярами в пофиг, 4 - разрез Бг. 5 - вариант элек ым охлаждением; на Г-Г на фнг. 5; на ст 1 гЛе Е на фиг. 5 по стрелке Ж на й среде; на г. 3; на 4 н со смешанн 6 - разрез,7 - вид по г. 8 - вид 7; на фиг. он; на фиг волокна; н.тродфиг. ро) ия - увеличение р приэлектродных по ение нит фиг 0 ие сплов-. сечениееч акен электро - разрез А-А волно иг.ГОСУДАРСТ 8 ЕККЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМЯфИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(7,1) Институт выАН СССР(57) Изобретение относится к энергетике, более конкретно к электроду магнитогидравпического генератора. , Электрод предназначен для съема то ка в канале МГД-генератора открытого цикла, Цель изобретения - повышение ресурса и снижение приэлектроднык потерь энергии, Электрод содержит иеталличесую вину 1, на которой закреплен керамический блок 2 .с тепловоспринимаощей поверхностью 3. Керамический блок выполнен в виде реветки из оксидных волокан 4 со сквозными апиллярами 5, ориентированными вдоль волокон. Волокна 4 имеют переменный по их длине состав и расположены с наклоном в сторону выхода из канала. Шина снабжена металлическими ребрами 6, зазоры между которыми связывают капилляры 5 со средствами подвода окислителя, Основания 8 волокон прикреплены к кромкам 9 ребер. Концы волокон выступают в канал и закруглены Волокна включают оксид индия, содержание которого на единицу длины волокна максимально у основания волокна. Для изготовления электрода используют ленту из волокнисто" ф го материала с чередующимися керамическими и органическими волокнами основы, которая ориентирована по ширине ленты. На ленту наносят различаюциеся по составу покрытия в виде .; а продольных, расположенных рядом, полос, разрезают ленту вдоль основы на листы, которые складывают в пакет и спекают. 2 з.п. ф-лы, 28 ил., Ф4 ВПроизводственно-издательский комбинат Патент"г. Укгород, ул. Гагари Заказ 1 900 , . Тйраж 336ВНИИПИ Государственного комитета но изоб113035, Москва, Я"35, Ра Подписноетенияи.и открытиям при ГКНТ СССРская наб., д. 4/56596 Граница 21 между обеими частями во"локка представляет собой область, вкоторой происходит плавное изменениесостава керамики по длине волокна.При данной геометрии решетки (см.фиг. 2) максимальное заполнение поперечного сечения электрода волокна 35 ми составляет и /4 х 0,7, Диаметр волокна 0,5 - 1,5 мм, длина волокна1 О - 30 мм, толщина ребра 6 0,3 "1,0 мм, ширина зазора 7 0,3 - 1,0 мм.Материал ребер 6, граней 13 и 14 ишины 1 - медь, жаропрочные сплавы,Материал планок 12 - картон иэ керамической ваты на основе двуокиси,циркония либо непрерывное волокно,в частности, диаметром, равным тол-,45 шине планки 12,Существуют другие варианты выпол-.нения электрода МГД-канала, В элек"троде (см. фиг. Э и 4) волокна 4 изоксидной керамики и капилляры 5 рас 50 положены в керамическом блоке 2,средняя плотность которого меньшеплотности волокна 4, В поперечнбм .сечении капилляры 5 имеют форму вакансий в плоской решетке из воло 55 кон 4. Зазоры между волокйами 4 заполнены пористой средой 22, выполненной иэ микроволокон и включающей триразличающихся составом слоя: низкотемпературный 23, высокотемйератур 3 49полого волока; на фиг, 12 " решеткаволокон в поперечном сечении электрода и капилляр, образованный группой вакансии решетки; на фиг. 13 волокнистый материал с волнистым волокном утка; на фиг. 4 " разрез 3-3на фиг. 13; на фиг. 15 - вблокнистыйматериал с перемычками между волокнами; на фиг. 16 - разрез И-И нафиг. 15; на фиг. 17 - лента волокнис.того материала; на фиг. 18 - сечение гофрированной ленты; на фиг. 19 листы ленты с покрытием перед сбор"кой пакета волокон;, на фиг. 20 - пакет волокон после сборки и обжига;на фиг. 2 1 - волокна в пористой среде из микроволокон; на фиг. 22крепление изогнутых волокон; нафиг. 23 - волокно с переменным подлине составом; на фиг. 24 - покрытие на волЬкне; на фиг. 25 - соединение волокон с ребром; на фиг. 26 -разрез К-К на фиг. 25; на фиг. 27 -вариант соединения волокна с ребром;на фиг. 28 - металлизированное основание волокна. (Направление потокаплазмы показано стрелкой на фиг. 1).Электрод МГД-канала содержит металлическую шину 1, керамическийблок 2, закрепленный на шине, тепловоспринймаюиую поверхность 3 блока.Керамический блок 2 выполнен. в видерешетки из оксидных волокон 4 сосквозными капиллярами 5, образованными вакансиями в решетке, которыеСообщаются со средой вне канала.Капилляры представляют собой пространство между волокнами. Волокнаимеют переменный по их длине состав.На фиг. 1 волокна 4.расположены снаклоном 60 к направлению потока,плазмь 1,Шина 1. снабжена параллельными металлическими ребрами 6. Зазоры 7между ребрами сообщаются со средойвне канала и с капиллярами 5 междуволокнами 4. Основания 8 волокон 4припаяны к кромкам 9 ребер шины 1.Свободные концы 10 волокон. 4 расположены на тепловоспринимаюней поверхности Э блока 2 и имеют закругления 11 сферической формы, Волокна4 скреплены между собой ориентированнымй вдоль канала планками 2 изволокнистого материала,(см,фиг, 2и 9). Планки 12, выполняюцие рольутка, припечены к боковой,поверхности волокон 4, На выходе в МГД-канал капилляры 5 частично перекрытыпланками 12,Ребра 6 расположены между гранями 3 и 4 шины 1. От смежных элементов канала электрод отделен изолятором 5 в форме пластины, армированной вспомогательными волокнами 16,которые ориентированы поперек воло 1 О кон 4 электрода. Смежным может бытьдругой электрод либо элемент футеровки 17 с керамическими волокнами8, установленными так же,. как и волбкна 4 электрода, но выполненныйн5 из изоляционного материала.Каждое волокно 4 включает низкотемпературную 19 и высокотемпературную 20 части. Составы частей волок-на 4: часть 19 - 60 мол.7. ЯО +20 + 40 мол.7. Еп Оэ, часть 20 -88 мол.7 2 гО + 12 мол.7. Т, О . Причем первая обладает электронйойпроводимостью при комнатной темпера 25туре и сохраняет ее при нагреве.Длина части 19 соответствует интервалу температур до 1400 С и состав ляет не менее половины длины волокна.ный 24 и средний 25. Слои 23 и 24постоянны по составу, в среднем слое25 состав изменяется вдоль волокна 4с образованием плавного перехода между слоями 23 и 24,5Среда 22 и волокна 4 выполненына основе стабилизированного оксидациркония, 11 х ннзкотемпературные области - слой 23 и часть 19 содержат 1 Ооксид индия. При достаточно плотномрасположении волокон 4, когда пористая среда 22 занимает незначительнуюдолю поперечного сечения электрода,допустимо выполнить ее однородной 5по составу, без добавки оксида индия,Керамический токовывбд 26 электрода образован частью 19 волокон 4и слоем 23 пористой среды. Тепловоспринимающая поверхность 3 блока 2 20образована частью 20 волокон 4 и, споем 24 пористой среды 22. Обращенная к шине электрода поверхность токовывода покрыта слоем металла 27.Этот слой припаяв к ребрам 6 шины. 25Ребра разделены зазорами 7, которые сообщаются с капиллярами 5 и сосредствами подвода окислителя внеканала. От смежных элементов канала28 и 29 электрод МГД-канала отделен 30изоляторами 5 в форме плит пористого материала, армированных волокнами 16. В данном варианте вместо единичных волокон 4 могут быть использованы нити, составленные из элементтарных волокон меньшего диаметра(см. фиг. 9)В следующем варианте электродаМГД-канала (см. фиг. 5-8) металлические ребра 6 выполнены на литом 40водоохлаждаемом корпусе 30 с полостью 31 для протока воды. К ребрам 6припаяны волокна 4 из оксидной керамики йа основе стабилизированнойдвуокиси циркония. Волокна 4 покрыты слоем металла 27 гальваническимнанесением покрытия либо окунаниемконцов волокон в расплав металла,Каждое волокно 4 включает различающиеся составом низкотемпературную 19, 50высокотемпературную 20 и среднюю 32части, Часть 19 относится к токовыводу 26, содержит оксид индия и обладает электронной проводимостью притемпературах от комнатной и выше.Часть 20 относится к тепловоспринимающей поверхности 3 блока 2 и несодержит окиси индия либо содержитее меньше, чем часть 19. Вдоль сред-.е ней части 32 содержание оксида инлия на единицу длины волокна плавно изменяется между его значениями н крайних частях 19 и 20.Крепление волокон 4 друг с другом выполнено дискретным - отдельными перемычками 33 - 35, которые не перекрываются по длине каждого волокна, т.е. расположены так, что перемычка 35 находится между двумя другъми перемычками 33 и 34 и отделена от них отрезками волокна, свободными от связей с другими волокнами, Такое крепление волокон создает условия для их свободной тепловой деформации по толщине. Дополнительно волокна 4 скреплены планками 12Смежные электроды разделены промежутками 36 и 37, по которым окислитель 38 (воздух) поступает в зазоры 7 между ребрами 6 и затем в капилляры 5 между волокнами 4. Края ребер имеют скругления 39 а корпус 30 - скругления 40, снижающие местное сопротивление потоку воздуха. Данный вариант электрода МГД-канала имеет комбинированное охлаждение - водяное и воздушное. От смежных элементов стенки МГДканала электрод отделен изоляторами15. Электрод секционирован полками 41,которые опираются на изоляторы 15 и отдельные металлические ребра 42, высота которых может быть увеличена (см. фиг, 7, пунктир). Изолятор 15 может быть выполнен с окном 43 (см. фиг. 7, пунктир) для дополнительного поступления воздуха в капилляры электрода.В описанных вариантах электрода МГД-канала волокна 4 могут быть составными (см. фиг, 9), монолитными (см. фиг. 10), полыми (см. фиг. 1). Составное волокно 44 представляет собой нить или жгут из элементарных волокон 4, которые спечены между собой по образующей на всем протяжении либо в отдельных местах. Волокна 4 могут быть получены вытягиванием из расплава либо геля, Монолитное волокно 45 может быть получено нз порошкообраэной композиции Формовкой под прессом, экструзией, литьем с последующим обжигом. Полое волокно 46 может быть получено экструзией. Отверстие 47, проходящее вдоль волокна 46, служит капилляром который сообщает96 да органические волокна 5 Ь выгорают, а оставшиеся волнистые керамические волокна 51 утка деформируются путем изгиба при нагреве и не меняют существенно размеров электрода. вдоль стенки МГД-канала. В другом вариантеполые волокна 46 ленты 48 скрепленыперемычками 52 из органики либо керамики (см. фиг. 15 и 16).Изготавливаютленты (см. фиг. 1719) двух сортов " с основной только иэ керамических волокон 4, а такжес основой из чередующихся керамичес- .ких волокон 4 и органических волокон 50 из полиэтилена либо полиамида,Волокна 4 основы могут быть уложень 1на ленте с наклоном (см. фиг. 17,пунктир).На ленту 48 из волокнистого мате риала наносят различающиеся по составу покрытия в виде продольных расположенных рядом полос 53 - 56, сплошных либо дискретных, состоящих из от". дельных пятен 57 (см. фиг. 17). От состава сплошных полос зависят состав волокон 4 и пористость среды .22. Пятна 57 при обжиге становятся перемыч" каин 33 междуволокнами (см. фиг. 5)Составы для покрытий готовят следующим образом. Измельчают электро- плавленную керамику до,размеров зерен 0,1 - 10,мкм, измельчают керамическую вату до длины микроволокон 0,1 - 1 мм, Используют керамику и вату на основе оксида циркония. Из полученных порош-. ков и порошка оксида ивдия готовят суспензию в растворе связующего, на" пример в водном р.астворе поливинилового спирта. Покрытие ленты 48 суспензией выполняют путем распыления, например пневматического, при помощи экранов, открывающих только одну иэ полос 53-56 либо места нанесения пятен 57. После этого ленту сушат,Лента 48 может быть выполнена гоф- рированной с ориентацией гофр 58 вдоль волокон Это придает керамическим волокнам 51 утка 49 волнистую форму, что повьвает термостойкость электрода.Введение оксида индия в состав отдельных полос 53-56 позволяет получить волокна с изменением содержания оксида индия по длине волокна за сЧет образования пленки оксида индия на части волокна и за счет диффузии оксида индия в глубь волокна на участке данной полось 1Для получения пористой 7 149654ся с атмосферой вне канала, При длине волокон 10-30 мм могут быть использованы элементарные волокна диаметрами от 1 мкм домм. Наиболее тонкие5 волокна (3-5 мкм) применяют в виде нитей с числом элементарных волокон510 и с малой степенью закрутки (О круток на 100 мм).Предельным случаем описанных вари-,10 антов (см. фиг. 1,3,5) является электррд МГД-канапа в виде снопа волокон с вакансиями, образукицими капилляры 5 (см. фиг. 12). Из-за отклонения формы волокна от идеального прямого цилинд ра между волокнами сохраняются зазоры на большей части их длины. Места контактов, где волокна спечены друг с другом, занимают меньшую часть длины волокна, Это обеспечивает сво4бодную тепловую деформацию волоконф по их толщине. При нагреве до 2000 С для этого достаточно зазора в 1-27 от диаметра волокна.Для изготовления электрода МГД- канала используют керамические волокна на основе двуокиси циркония. Изменение состава по длине волокна, а именно обогащение части волокна оксидом индия, может быть осуществле но в процессе изготовления волокна либо путем диффузии из покрытий в процессе обжига электрода, а также путем термического разложения оксида индия в части волокна, которое до 35 . этого было изготовлено однородным по составу и содержало оксид индия. При экструзии крупных волокон диа- метром порядка 1 мм изменение состава по длине может быть достигнуто 40 периодическим изменением соотношения компонентов в порошковой массе перед выходом ее из экструдера. Волокна типа игл длиной 20 мм и диаметроммм могут быть отштампованы автома тически в пресс-форме, заполняемой с двух концов из двух бункеров с раз- . ными составами порошкообразной композиции.Из керамическихВолокон иэготав 50 ливают волокнистый материал в форме ленты 48, в которой волокна 4 обра- зуют основу,. ориентированную по ширине ленты. Волокна 4 основы скрепляют утком 49, в качестве которого 55 используют прямые органические волокна 50 и волнистые керамические волокна 51 (см. фиг. 13 и 14). ПЬсле спекания керамической части электро 1496596среды 22 в состав порошковой композиции вводят избыток органической связки, которая выгорает при обжиге, Вместах, где волокна должны быть сво 5бодны, используют покрытиЕ, содержащее только органический наполнитель,Из лент вырезают листы 59 - 6(см. фиг. 19), складывают их в пакет,который затем прессуют и обжигают. В 1 Ополученном материале (см. фиг. 20) ке"рамические волокна 4 образуют решет-ку, а на местах органических волокон50, выгорающих при обжиге, образуютсякапилляры 5, являющиеся вакансиями в 5решетке волокон. При этом волокна 4и капилляры 5 расположены в пористойсреде 22. Полученный образец шлифуюти покрывают слоем металла 27.,Микроволокна 62 пористой среды 22 2 Св результате обжига спекаются между, собой и с отдельными местами 63 волокон 4 основы волокнистого материала(см. фиг. 21). Изготовление волокон 4,3иэогнутыии позволяет получить термостойкую конструкцию электрода скреплением волокон между собой в от-,.дельных заданных местах 64 и 65 (см.:фиг. 22).При изготовлении вариантов электрода МГД-канала по фиг. 1 и 5 в пакет листов вкладывают планки 2.У керамических волокон на основеоксида циркония, состав которых меняется.по длине ступенчато (см. 35фиг, 23), часть 19, содержащая оксндиндия, относится к токовыводу 26.На границе 21 частей 19 и 20 волокна 4 протекает электрохимическая реакция с участием кислорода. Поверхность границы может быть увеличена,а перенапряжение реакции соответственно уменьшено путем расширениячасти 19 на боковую поверхность 66волокна 4 в окрестности его основания, Если исходное волокно 4 имеетсостав, одинаковый по его длине, ине содержит оксида индия, то относящаяся к токовыводу часть волокна 19должна быть выполнена с покрытием 67из оксида индия на всем протяженииэтой части (см. фиг, 24), Однако такое волокно уступает по допустимой ,плотности тока волокну с равномернымраспределением оксида индия по сечению волокна.Существуот варианты крепления волокон к ребрам. В ребре 6 выполненыпоперечные гпсздз 68, куда впаяны волокна 4 (см. фг. 25 и 26). Вдоль ребра 6 вьполен паз 69, в который входят концы волокон 4 (см. фиг.27).Металлизацией волокна 4 на его конце получен металлический чехол 70, скрепленньп с ребром 6 (см, фиг,28),Электрод работает следующим образом.Электрод МГД-канала может бьть установлен как на анодной, так и на катодной стенках канала и работает при этом соответственно как анод либо кек катод, При движении плазмы в магнитном поле, направленном поперек потока, между анодной и каодной стенками МГД-канала возникает ЭДС.Электроды - катод и анод " соединены с нагрузкой во внешней цепи МГД-канала генератора и участвуют в переносе тока под действием ЭДС в плазме.На границе 2 1 в волокне 4 электронная проводимость низкотемпературной части 19 переходит в анионную проводимость высокотемпературной части 20, У катода МГД-канала на на гранце 21 молекулярный кислород воздуха, подаваемого через капилляры 5, восстанавливается до аииона 0 по схеме 0 + 4 е -ф 20 , который миг рирует к закругленному концу 10 волокна 4, отдает электрон плазге,20 -ф 0 + 4 е и в виде молекулярногокислорода уносится потоком плазмы,К границе 21 воздух поступает покапиллярам 5, У анода МГД-канала наконце 10 волокна 4 идут процессыСО + 2 е-+ СО + О и О + 4 е СОйс образованием аниона О , которыймигрирует к границе 21. Там он окисляется до молекулярного кислорода,й20 - О + 4 е, которьа диффундируетв капилляр 5 и оттуда вместе с воздухом поступает в канал МГД-генератора,В МГД-,канале с потоком плазмы.статическое давление вьпде атмосфер/ного. Под влиянием перепада давления,создаваемого средствами подвода окислителя воздух подается в зазоры 7между ребрами 6, затем в капилляры 5и вдувается в поток плазмы, Относительно малый диаметр волокна обеспе"чивает доставку кислорода в зонеэлектрохимической реакции, котораярасположена внутри волокна на границе 2 между частями 9 и 20 волокна.Подаваемый в капилляры воздух выпол 149 Ь 59 Ь 1 220 няет и другие функции: охлаждает металлические ребра Ь и керамическиеволокна 4, препятствует попаданию присадки иэ канада в глубь электрода,5Наклон волокон к выходу иэ канала, те. в направлении потока плазмы, и закругления 11 на их концах уменьшают потери напора на трениепотока о стенки, обусловленные, вчастности, турбулентной вязкостью.Планки 12, суживающие просвет капилляров 5 у их выхода в канал, создают дополнительную защиту от присадки, Как средство крепления воло кон 4 планки 12 фиксируют только диаметрально противоположные местабоковой поверхности волокна, остав" ляя свободной тепловую деформациюволокон по толщине в направлениисамих планок. Тепловая деформацияволокон по толщине в направлении,перпендикулярном планкам 12, может быть обеспечена путем создания тепловых зазоровнапример за счет про пуска отДельных планок. На большей части длины волокна 4 свободны отсвязей и их .тепловая деформация впоперечном направлении не ограничена. Выполнение планок и других свя- ЗОзей между волокнами иэ пористого материала со средней плотностью, которая ниже плотности волокна, такжеспособствует снятию тепловых напряжений в волокнах.35Равномерный нагрев всех волокон электрода обеспечивает одинаковую их тепловую деформацию по длине и отсутствие разрушающих напряжений в этом направлении. Приемником излучения плазмы служат выступающие в канал эак" ругленные концы 10 волокон 4, Благо" даря зазорам между концами волокон часть теплового излучения плазмы почадает на боковую поверхность волокна, По мере увеличения зазора между волокнами тепловая энергия, получаемая одним волокном, возрастает, а температура его конца увеличивается. Возрастает и поверхность контакта электрода с плазмой за счет примыкающей к концам волокон их боковой поверхности в зазорах и за счет закругления концов волокон, В совокупности эти факторы - рост поверхности и ее температуры - увеличивают эмиссию электронов с катода МГД-каналаВолокна 16 изолятора 15 воспринимают нагрузку, направленную поперек волокон 4 электрода, что повышаетпрочность керамической части стенкиМГД-канала. Возможно также комбинированное охлаждение электрода ндувомвоздуха 38 через капилляры 5 и с помощью водяного охлаждения корпуса 30 .электрода, Планки 12 у горячей поверх.ности электрода могут быть ориентированы поперек потока в канале, т,е,опод углом 90 к ориентации, показанной на фиг. 2, Допустимо введение дополнительных планок между волокнами 4.Ток через электрод ИГД-канала идетпо волокнам 4, пересекая границу 21между частями 19 и 20 с разными типами электропроводности. Поскольку волокна выполнены из плотной керамики,то их электропроводность в каждойточке максимальна для соответствуюшихэтой точке состава керамики н температуры, а эффективная локальная злектропроводность на порядок выше, чем фу известного электрода,Формула изобретения1. Эле кт род магнито гидродинамиче ского генератора, содержащий металло"ческую шину, пористый керамическийблок, скрепленный с шиной, оксидныеволокна, расположенные в блоке, тепловоспринимакаую поверхность блока,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью увеличения ресурса и сниженияприэлектродных потерь энергии, керамический блок выполнен в виде решетки из оксидных волокон со сквознымикапиллярами, ориентированными вдольволокон, волокна выполнены с переменным составом волокна по их длине, основания волокон закреплены на метал 4лической шине, а нх свободные концырасположены на тепловоспринимаацейповерхности блока, шина выполнена сребрами, зазоры между которыми сообщены со средствами подвода окислите- .ля к волокнам.2, Электрод по и, 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что волокна выполнены на основе окислов циркония ииттрия, в состав которых внедрен ок"сид индия, причем содержание оксидаиндия на единицу длины волокна максимально у его основания,3. Электрод по пп. 1 и 2, о тл и ч. а ю щ и й с я тем, что решетка выполнена в виде пакета скрепленных между собой лент иэ волокнистогоматериала, а капилляры образованывакансиями в решетке.